T.S. Spivet, vit dans un ranch isolé du Montana avec ses parents, sa soeur Gracie et son frère Layton. Petit garçon surdoué et passionné de science, il a inventé la machine à mouvement perpétuel, ce qui lui vaut de recevoir le très prestigieux prix Baird du Musée Smithsonian de Washington. Sans rien dire à sa famille, il part, seul, chercher sa récompense et traverse les Etats-Unis sur un train...

Colter Stevens se réveille en sursaut dans un train à destination de Chicago. Amnésique, il n’a aucun souvenir d’être monté dedans. Pire encore, les passagers du train se comportent avec lui avec familiarité alors qu’il ne les a jamais vus. Désorienté, il cherche à comprendre ce qui se passe mais une bombe explose tuant tout le monde à bord. Colter se réveille alors dans un caisson étrange et...